(57)【要約】【課題】起動開始から実際に運転を開始するまでの時間を短縮することが可能なガス供給システムを提供する。【解決手段】水素供給源２１と、ガス供給源２１から燃料電池２へとガスを供給するための水素供給流路２２と、水素供給流路２２の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタ２８と、水素供給源２１とインジェクタ２８との間に設けられて水素供給流路２２を開閉する電磁式の遮断弁２６と、インジェクタ２８の駆動を制御する制御部５とを備える燃料電池システム１において、制御部５は、遮断弁２６へ供給される電流の変化に基づいて遮断弁２６の開弁を検出した後にインジェクタ２８の駆動を開始させる。【選択図】図１
2010255746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス供給源と、前記ガス供給源からガス消費部へとガスを供給するためのガス供給流路と、前記ガス供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する開閉弁と、前記ガス供給源と前記開閉弁との間に設けられて前記ガス供給流路を開閉する電磁式の遮断弁と、前記開閉弁の駆動を制御する制御部とを備えるガス供給システムにおいて、
前記制御部は、前記遮断弁へ供給される電流の変化に基づいて前記遮断弁の開弁を検出した後に前記開閉弁の駆動を開始させるガス供給システム。
【請求項２】
請求項１に記載のガス供給システムであって、
前記遮断弁は、パイロット弁部の開弁後、上下流の差圧が所定値となった際に主弁部を開弁するパイロット式電磁弁であるガス供給システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のガス供給システムであって、
前記開閉弁は、弁体を電磁駆動力で所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧力を調整するインジェクタであるガス供給システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載のガス供給システムであって、
前記ガス供給源としての水素タンクを備え、前記ガス消費部としての燃料電池へと燃料ガスを供給するものであるガス供給システム。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか一項に記載のガス供給システムであって、
前記ガス供給源としての天然ガスタンクを備え、前記ガス消費部としての内燃機関へと天然ガスを供給するものであるガス供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス消費部へガスを供給するガス供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば電気化学反応により発電を行う燃料電池に反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）を供給するガス供給システムが提案され、実用化されている。かかるガス供給システムには、高圧の燃料ガスを貯留する燃料供給源と、燃料供給源からの燃料ガスの供給状態を制御するための開閉弁であるインジェクタと、が設けられている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２７５０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記システムにおいては、燃料供給源とインジェクタとの間に、上流側から遮断弁及びレギュレータが設けられ、遮断弁が開き、レギュレータによってガスの圧力が調整されてからインジェクタの駆動を伴う運転の起動を開始している。
【０００５】
ところで、燃料供給源は高圧であるため、遮断弁としては、パイロット弁部と主弁部とを備え、上下流での圧力差が大きい場合でも主弁部を無理なく開くことが可能なパイロット式電磁弁が用いられることがある。この遮断弁では、まずパイロット弁部が開くことにより上下流での圧力差がある程度低減すると、主弁部が開く。
【０００６】
したがって、このような遮断弁では、燃料供給源への燃料ガスの充填直後の起動時あるいは燃料消費が多くなる低温起動時のように、上下流での圧力差が大きくなる場合には、この圧力差が所定値まで低減するまでの時間、すなわち、主弁部が開くまでの時間が他の場合よりも相対的に多くかかることとなる。
【０００７】
しかしながら、このような遮断弁を備えたシステムでは、遮断弁の主弁部が開くタイミングを、下流側の圧力に関わらず、前述のように主弁部が開くまでの最長時間に安全面を考慮した時間を加算した時間を開弁時間として設定している。このため、本来であれば、もっと短時間で運転を開始することのできる通常起動時においても、起動開始から実際に運転が開始されるまでの起動時間が無駄に長くなってしまうという課題がある。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、起動開始から実際に運転を開始するまでの時間を短縮することが可能なガス供給システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明のガス供給システムは、ガス供給源と、前記ガス供給源からガス消費部へとガスを供給するためのガス供給流路と、前記ガス供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する開閉弁と、前記ガス供給源と前記開閉弁との間に設けられて前記ガス供給流路を開閉する電磁式の遮断弁と、前記開閉弁の駆動を制御する制御部とを備えるガス供給システムにおいて、
前記制御部は、前記遮断弁へ供給される電流の変化に基づいて前記遮断弁の開弁を検出した後に前記開閉弁の駆動を開始させるものである。
【００１０】
かかる構成のガス供給システムによれば、遮断弁が駆動するとコイルインダクタンスが変化して磁界が変化し、遮断弁に電流変化が生じる。そして、制御部は、この遮断弁の電流変化に基づいて遮断弁が実際に開弁したことを検出し、その後、開閉弁の駆動を開始させる。
このように、制御部が電流変化から遮断弁の実際の開弁を検出してから開閉弁の駆動を開始させるので、遮断弁が開弁する最長時間を基準とした開弁時間を予め設定し、一律に開弁時間の経過後に開閉弁を駆動させる場合と比較し、起動時の条件に応じて無駄な遅延時間を設けることなく短時間で開閉弁の駆動を開始させることができる。
【００１１】
また、本発明のガス供給システムにおいて、前記遮断弁は、パイロット弁部の開弁後、上下流の差圧が所定値となった際に主弁部を開弁するパイロット式電磁弁であっても良い。
【００１２】
また、本発明のガス供給システムにおいて、前記開閉弁は、弁体を電磁駆動力で所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧力を調整するインジェクタであっても良い。
【００１３】
また、本発明のガス供給システムにおいて、前記ガス供給源としての水素タンクを備え、前記ガス消費部としての燃料電池へと燃料ガスを供給するものであっても良い。
【００１４】
また、本発明のガス供給システムにおいて、前記ガス供給源としての天然ガスタンクを備え、前記ガス消費部としての内燃機関へと天然ガスを供給するものであっても良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のガス供給システムによれば、起動開始から実際に運転を開始するまでの時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係るガス供給システム（燃料電池システム）の構成図である。
【図２】遮断弁の下流側の圧力と遮断弁の電流値との関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るガス供給システムについて説明する。本実施形態においては、ガス供給システムの例として、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池が搭載された燃料電池車両に適用される燃料電池システム１を挙げて説明することとする。
【００１８】
まず、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。
本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２に酸化ガス（空気）を供給するための酸素ガス配管系３と、燃料電池２に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部５と、を備えている。
【００１９】
燃料電池２は、本発明におけるガス消費部に相当するものであり、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガス（水素ガス）が供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガス（空気）が供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。
【００２０】
酸素ガス配管系３は、酸化ガスを燃料電池１０に供給するための空気供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを外部に導くための空気排出流路１２と、を備えている。空気供給流路１１には、大気中の酸化ガスを取り込んで燃料電池２側へと圧送する図示していないエアコンプレッサが設けられている。
【００２１】
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる水素供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路２２の合流部Ａ１に戻すための循環流路２３と、循環流路２３内の水素オフガスを水素供給流路２２に圧送する水素ポンプ２４と、循環流路２３に分岐接続された排気排水流路２５と、を有している。
【００２２】
水素供給源２１は、本発明におけるガス供給源に相当するものであり、本実施形態においては水素ガスが充填された高圧タンク（水素タンク）を採用している。高圧タンクは、所定圧力（例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａ）の高圧水素ガスを貯留可能に構成されている。後述する遮断弁２６を開くと、水素供給源２１から水素供給流路２２内に水素ガスが放出される。水素ガスは、レギュレータ２７やインジェクタ２８により最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。
【００２３】
水素供給源２１には、内部のガス圧を検出する圧力センサ２１ａが設けられている。圧力センサ２１ａで検出されたタンク内のガス圧に係る情報は、インジェクタ２８の開閉制御に用いられる。なお、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から水素供給源２１を構成してもよい。また、水素吸蔵合金により水素供給源２１を構成してもよい。
【００２４】
水素供給流路２２は、本発明におけるガス供給流路に相当するものである。水素供給流路２２には、水素供給源２１からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁２６と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７と、インジェクタ２８と、が設けられている。インジェクタ２８の上流側には、水素供給源２１から放出される水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側の圧力センサ４１及び温度センサ４２が設けられている。
【００２５】
また、インジェクタ２８の下流側であって水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１の上流側には、二次側の圧力センサ４３が設けられている。温度センサ４２や圧力センサ４３等で検出された水素ガスのガス状態（温度、圧力）に係る情報は、インジェクタ２８の開閉制御に用いられる。
【００２６】
遮断弁２６は、高圧タンクに対応して設けられており、水素供給源２１として高圧タンクが複数設けられている場合には、遮断弁２６はその各々に対応して設けられる。なお、遮断弁２６を高圧タンクと一体に設けた構成としてもよい。例えば、遮断弁２６としてインタンク式の電磁開閉弁を採用することもできる。
【００２７】
この遮断弁２６は、パイロット弁部と主弁部とを備えたパイロット式電磁弁が用いられている。この遮断弁２６は、バッテリ４４に接続されており、このバッテリ４４を電源として開閉駆動する。また、遮断弁２６とバッテリ４４との間の給電線には、電流計４５が接続されており、遮断弁２６へ流れる電流値が検出される。この電流計４５は、制御部５に接続されており、検出した電流値が制御部５へ送信される。
【００２８】
遮断弁２６を開くと、高圧の水素ガスが水素供給流路２２内に高速で放出されて拡散する。これにより、水素供給流路２２内に所定の一次圧の水素ガスが供給される。水素ガスは、拡散時の圧力低下に伴って温度が低下する。温度低下後の水素ガスのガス温度は、前記した温度センサ４２により検出される。また、水素供給流路２２内に放出される際の水素ガスの温度と高圧タンク内のガス圧との間には、所定の対応関係がある。このため、水素供給流路２２内に放出される水素ガスのガス温度と高圧タンク内におけるガス圧との対応関係を例えばマップや関係式で表すことができる。
【００２９】
レギュレータ２７は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ２７として採用している。なお、インジェクタ２８の上流側にレギュレータ２７を複数配置すれば、インジェクタ２８の上流側圧力を効果的に低減させることも可能である。
【００３０】
インジェクタ２８は、弁体５２を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧力を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ２８は、水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１より上流側に配置されている。また、水素供給源２１として複数の高圧タンクを採用する場合にも、各高圧タンクから供給される水素ガスが合流する部分よりも下流側にインジェクタ２８が配置される。
【００３１】
循環流路２３には、気液分離器３０及び排気排水弁３１を介して、排気排水流路２５が接続されている。気液分離器３０は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３１は、制御部５からの指令によって作動することにより、気液分離器３０で回収した水分と、循環流路２３内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路２３には、循環流路２３内の水素オフガスを加圧して水素供給流路２２側へ送り出す水素ポンプ２４が設けられている。
【００３２】
制御部５は、図示していない車両のアクセル信号（要求負荷）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、制御部５は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現される。
【００３３】
具体的には、制御部５は、燃料電池２の運転状態及び要求発電量に基づいて、燃料電池２で消費される水素ガスの量（水素消費量）を算出するとともに、インジェクタ２８の下流位置における水素ガスの目標圧力値（燃料電池２への目標ガス供給圧）を算出する。また、制御部５は、算出した目標圧力値と、二次側の圧力センサ４３で検出したインジェクタ２８の下流位置の検出圧力値と、の偏差に基づいてフィードバック補正流量を算出し、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算することにより、インジェクタ２８の噴射流量を算出する。
【００３４】
そして、制御部５は、算出した噴射流量を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ２８のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池２に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。
また、制御部５は、遮断弁２６の開弁タイミングを判定し、遮断弁２６の開弁の検出後に、インジェクタ２８の駆動を伴うシステムの運転制御を行っている。
【００３５】
制御部５は、遮断弁２６の開弁タイミングを、電流計４５からの検出結果に基づいて検出する。つまり、制御部５は、バッテリ４４から遮断弁２６へ流れる電流の電流値に基づいて開弁タイミングを検出する。
【００３６】
ここで、図２に示すものは、遮断弁２６の下流側の圧力と遮断弁２６の電流値との関係を示すグラフ図である。
【００３７】
遮断弁２６では、給電されると、まず、パイロット弁部が開き、この時点にて、遮断弁２６の出口側の圧力が上昇する（図２中ｔ１）。その後、遮断弁２６の出口側の圧力は、徐々に上昇し、水素供給源２１の内圧と遮断弁２６の出口側の圧力との圧力差が所定値となると、主弁部が開き遮断弁２６の下流側の圧力が再び上昇する（図２中ｔ２）。
【００３８】
上記のように駆動する遮断弁２６の電流値は、まず、電磁弁２６に給電されてパイロット弁部が開くと、電磁弁２６のコイルインダクタンスが変化して磁界が変化するため、電流値が変動する（図２中ｔ１）。次に、水素供給源２１の内圧と遮断弁２６の出口側の圧力との圧力差が所定の主弁部開設定値となり、主弁部が開くと、電磁弁２６のコイルインダクタンスが変化して磁界が変化するため、電流値が再び変動する（図２中ｔ２）。
【００３９】
このように、パイロット式電磁弁からなる遮断弁２６では、パイロット弁部の駆動時及び主弁部の駆動時に電流値が変動する。
そこで、制御部５は、電流計４５からの検出結果に基づいて、遮断弁２６への給電後に生じる電流値の変動を検出することにより、主弁部が開いた開弁タイミングを判定し、その後、インジェクタ２８の駆動を伴うシステムの運転を開始する。
【００４０】
以上、説明したように、本実施形態のガス供給システムである燃料電池システム１によれば、制御部５が遮断弁２６の電流変化に基づいて遮断弁２６が実際に開弁したことを検出し、その後、インジェクタ２８の駆動を開始させる。
【００４１】
このように、制御部５が電流変化から遮断弁２６の実際の開弁を検出してからインジェクタ２８の駆動を開始させるので、遮断弁２６が開弁する最長時間に安全を考慮した時間を加算した開弁時間を予め設定し、一律に開弁時間の経過後にインジェクタ２８を駆動させる場合と比較し、起動時の条件に応じて良好にインジェクタ２８の駆動を開始させることができる。
【００４２】
ここで、燃料電池システム１における通常起動時では、一実施例に係る遮断弁２６は、例えば０．２秒程度で開弁するが、燃料消費が多くなる低温起動時では、例えば０．８秒程度となる。
したがって、予め設定した開弁時間にて起動を行うシステムでは、通常起動時であっても起動開始から最長時間である０．８秒以降にインジェクタ２８の駆動を伴う運転が開始されることとなる。
【００４３】
これに対して、本実施形態の燃料電池システム１では、通常起動時において、起動開始から遮断弁２６が実際に開弁する０．２秒以降にインジェクタ２８の駆動を伴う運転が開始される。つまり、通常起動時では、起動開始から実際に運転が行われるまで０．６秒の時間を短縮させることができる。
【００４４】
なお、水素供給源２１の内圧、遮断弁２６の出口側の圧力及びレギュレータ２７と遮断弁２６の開度との間には特定の対応関係がある。したがって、制御部５は、これらの圧力の対応関係を予めマップとして記憶しておき、前述の電流値の変化に基づく開弁タイミングの判定と併せて、マップに基づいて遮断弁２６の主弁部の開弁タイミングを判定しても良く、この場合、電流値の変化が小さく、開弁タイミングが把握しずらい場合でも、円滑に遮断弁２６の主弁部の開弁タイミングの判定を行うことができる。
【００４５】
また、以上の実施形態においては、燃料電池車両に搭載される燃料電池システム１に本発明を適用した例を示したが、他の異なる構成を有するガス供給システムに本発明を適用することができる。例えば、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）自動車に搭載されるガス供給システム（ガス供給源としての天然ガスタンクを備え、ガス消費部としての内燃機関へと天然ガスを供給するもの）に本発明を適用することもできる。
【００４６】
また、以上の実施形態においては、燃料電池システム（ガス供給システム）を燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（例えばロボット、船舶、航空機、電車等）に燃料電池システムを搭載することもできる。また、燃料電池システム（ガス供給システム）を、建物（例えば住宅、ビル、工場等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１…燃料電池システム（ガス供給システム）、２…燃料電池（ガス消費部）、５…制御部、２１…水素供給源（ガス供給源）、２２…水素供給流路（ガス供給流路）、２６…遮断弁、２８…インジェクタ（開閉弁）。
【図１】
2010255746.tif 000003
【図２】
2010255746.tif 000004